Ingeniería de bioprocesos en el cultivo de dinoflagelados

Los dinoflagelados son un grupo muy extenso de fitoplancton del que se han descrito más de 2000 especies, de las cuales sólo la mitad son fotosintéticas. Sin embargo, y a pesar de la gran diversidad biológica del grupo, los dinoflagelados son conocidos por ser el origen de la mayoría de las proliferaciones tóxicas de microalgas. Hasta la fecha se han descrito alrededor de 100 especies tóxicas. Las biotoxinas producidas pueden acumularse en crustáceos y moluscos, introduciéndose así en la cadena trófica. Las intoxicaciones humanas relacionadas con estas toxinas son conocidas desde hace mucho tiempo, si bien los efectos producidos por dosis crónicas se desconocen por ahora. En los últimos años, la demanda de toxinas puras certificadas para su utilización en análisis toxicológicos de alimentos, en el desarrollo de métodos de detección y en investigación médica y farmacológica ha crecido notablemente. Para satisfacer esta demanda es necesario el cultivo masivo de los dinoflagelados productores, ya que la síntesis química no es por ahora posible. El interés comercial por estas biotoxinas es evidente no sólo para su comercialización más inmediata como estándares de referencia, sino también por su interés como futuros fármacos. Sin embargo, el cultivo de estos microorganismos en biorreactores tiene fuertes trabas. Por ejemplo, las bajas velocidades de crecimiento obtenidas o la sensibilidad a las fuerzas de corte. Estudios de campo han demostrado que el crecimiento de los dinoflagelados es inhibido por niveles turbulencia hasta de un orden de magnitud menor que los que dañan a células de animales y plantas Hasta el momento, estas especies habían sido estudiadas desde un punto de vista medioambiental o taxonómico y no desde un punto de vista Ingenieril. Es por esto que se plantea la necesidad de aplicar la Ingeniería de Bioprocesos a la producción de estas sustancias bioactivas procedentes de dinoflagelados. Como especie modelo se escogió una particularmente sensible: Protoceratium reticulatum. Esta especie es planctónica y fotosintética. La experimentación desarrollada en esta memoria se diseñó para la obtención de cultivos estables de dinoflagelados en biorreactores con productividades mayores que las obtenidas en cultivos estáticos en matraces mediante la caracterización de las necesidades nutricionales, lumínicas y los niveles de turbulencia soportados. El plan experimental constó, por tanto, de las siguientes etapas: 1) Definir variables medioambientales: optimización del crecimiento, consumos y necesidades de nutrientes y producción de biotoxinas. 2) Identificar y mitigar los efectos de las fuerzas de corte en biorreactores agitados y/o aireados. 3) Diseño, instrumentación y puesta a punto de biorreactores para el cultivo masivo de dinoflagelados frágiles. 4) Definir variables de operación: optimización de la productividad 5) Escalado del biorreactor. En relación al punto 1) se realizaron ensayos que han permitido determinar los nutrientes limitantes del medio de cultivo, así como, las concentraciones de éstos que maximizan la velocidad de crecimiento y la producción de toxinas. Además, se ha estudiado la respuesta a la irradiancia y al ciclo de luz, permitiendo establecer el régimen de luz óptimo. En los ensayos relativos al punto 2) se identificaron las condiciones de agitación y/o aireación que no producían daño celular. También se han estudiado los mecanismos de daño y se han propuesto 2 aditivos protectores de acción directa (PF68 y CMC) y uno de acción indirecta (Ácido ascórbico). Para la consecución del objetivo 3) se ha trabajado con éxito sobre un reactor tipo tanque agitado de 2L con un agitador de tipo axial. En este sistema se han ensayado varios modos de operación (discontinuo, semicontinuo, “fed-batch” con perfusión y continuo), lográndose aumentar en un orden de magnitud la concentración máxima de biomasa y toxinas referenciada para la especie utilizada. Las máximas productividades de biomasa y toxinas se lograron en el modo continuo. En estas condiciones pudieron obtenerse cultivos de hasta 5 meses de duración, lográndose una producción estable y repetitiva de biomasa y de toxinas. Finalmente, en relación al punto 5), se logró cultivar la especie en un reactor de diseño propio de 20L de volumen total, con productividades similares a las obtenidas en el reactor de menor escala.